管廊基坑長距離上跨既有地鐵變形控制研究

葉新豐 田騰躍 陳 博 鞏耀娜 李明輝

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司 北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室 北京 100068；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著城市建設的發展，城市地下空間資源日趨緊張，在一些城市的建設過程中，往往需在已有地鐵隧道上方進行明挖基坑施工。因基坑施工過程中，土方卸載、施工振動、降水等因素，對既有線路結構會產生影響，繼而影響運營安全，因此對此類基坑工程的設計、施工都有較高的要求。針對此類明挖基坑穿越既有線案例，諸多學者已開展相關研究，黃海濱等[1]對采用人工抽條放坡開挖＋板錨支護有效控制基底土體的回彈和既有地鐵隧道的變形進行了研究。鐘方杰等[2]對比了不同加固區域和加固方式對基坑下方既有隧道隆起變形保護效果的區別。王永偉[3]分析了基坑開挖深度、土層特性等方面對下臥隧道的影響，總結了基坑開挖卸荷對下方隧道在結構變形、內力等方面的發展態勢和變化規律。畢成雙[4]對頂管方式綜合管廊穿越既有線的變形影響從理論及實測角度進行了分析，總結了頂管管廊穿越既有線的變形規律。喬南[5]對明挖箱型隧道基坑施工對下臥既有隧道變形影響進行了分析，并對加固措施進行了研究。此外，多位學者[6－8]對基坑開挖及其他工法結構上跨既有線施工卸載過程對下方結構的變形影響進行了分析，并對控制方法進行了研究。總之，目前基坑上跨既有地鐵施工過程，減小既有線變形影響的控制方法主要是采用地基加固[9]、堆載預壓和分區塊開挖等[10－13]。近些年，隨著長大基坑的案例增多，長距離平行上穿既有線的案例也開始出現，本文根據相關文獻提供的數據，找出基坑在既有線結構投影長度大于100 m影響范圍的基坑案例如表1所示[14]。隨著基坑長距離上跨既有地鐵案例的增多，在既有線上方長距離開挖基坑期間，對如何降低開挖引起的既有線變形及如何優化控制措施進行研究顯得尤為必要。本文針對北京某地鐵線路上方施工的地下綜合管廊工程的特點和難點，對比了開挖方案及加固方案，提出了地鐵上方基坑明挖施工過程地鐵結構變形控制的優化方案，完成了該工程施工時的地鐵線路保護。

表1 長大基坑上穿既有線工程案例

2 工程概況

本工程為北京地區某地下綜合管廊工程，該管廊位于城市主干路下方，管廊頂板覆土約為3.0～5.0 m，底板埋深6.5～10.6 m。管廊設電力1、2艙，水信艙共三艙室。管廊標準段電力1艙、電力2艙凈寬度2.6 m，水信艙凈寬度5.7 m，在道路東側凈寬度3 m，管廊凈高3.0 m。管廊結構為三艙閉合框架結構，采用明挖順作法施工。采用鉆孔灌注樁＋內支撐支護體系。新建管廊工程位于既有盾構區間上方，上跨范圍約4 km，管廊基坑底部距離既有盾構區間垂直距離為4～8 m。管廊上跨既有盾構隧道平面圖如圖1所示。

圖1 管廊上跨既有盾構隧道平面圖

根據場區工程地質勘察資料，場區地面以下20 m深度范圍內，地層主要分為人工堆積層及第四紀沉積層兩大類，按其成因、結構特征、土性的不同和物理力學性質差異，主要分為:素填土層、粉質黏土層、細砂層、中砂層、粉質黏土層等，場區施工范圍內不受地下水影響。管廊基坑及工程地質剖面如圖2所示。

圖2 管廊基坑及工程地質剖面圖

3 實施方案比選

3.1 基坑施工方案比選

管廊施工前，既有盾構區間隧道已施工完成，管廊施工過程上跨已建盾構區間隧道。為減小已建盾構區間隧道上浮，根據之前不同學者對基坑上跨既有隧道區間結構施工期間的變形分析及控制措施研究結論，采取對管廊下方地層進行深孔注漿加固方式加固管廊基底地層，同時結合本方案特點合理優化注漿深度、開挖長度、開挖步序，以減少對地層的擾動。

根據場地條件，管廊工程與既有盾構區間隧道位置關系，對管廊下方土體加固深度做經濟性及加固效果分析比選，以選出既經濟又可起到有效防護作用的加固深度。并在此基礎上，結合加固深度，對管廊土體縱向開挖長度做比選分析，以獲得既有利于既有盾構區間隧道上浮控制，又有利于提高現場施工功效的開挖流水段劃分。具體實施過程中，因選取區段新建管廊底部距離既有盾構隧道豎向距離約7 m，為得到最優注漿加固厚度，利用MIDAS GTS NX仿真分析軟件，對加固土體厚度作對比分析，設定管廊基坑底部加固土體厚度分為0、1、2、3、4、5、6 m七種比選方案。結合不同土體注漿加固厚度狀態下管廊基坑開挖時，既有盾構隧道上浮變形量和不同加固厚度情況下施工的經濟性及安全性等因素，綜合分析得出最優的地層注漿加固厚度。

在選出最優地層加固厚度后，在此基礎上對開挖土體長度做對比分析，以每個流水段12 m考慮，以1個流水段開挖施工，2個流水段開挖施工，3個流水段開挖施工做比選分析，同時結合現場開挖施工的經濟性和高效性，綜合確定最優開挖流水段長度，從而選擇既有利于控制既有盾構隧道上浮，又有利于提高施工效率的開挖施工方案，并以此施工方案指導現場施工。

3.2 比選方法

由于本方案的比選為工前施工方案比選，比選過程中，以結合現場施工工程經驗參數和理論計算為主體的數值模擬有限元計算為主。采用MIDAS GTS NX軟件，對基坑施工過程中的注漿厚度和基坑開挖流水段長度進行比選，以獲得最佳經濟有效的加固厚度和對既有盾構隧道影響較小的開挖長度。根據現場施工條件，本次比選模型圖如圖3所示，各類材料參數如表2所示。

圖3 管廊基坑施工方案比選模型

表2 模型計算參數

在模擬計算過程中，根據模型特點進行施工步序劃分，具體施工步序為:

(1)自然重力場；

(2)既有盾構隧道生成；

(3)新建管廊基坑圍護結構施工；

(4)管廊下方地層注漿加固(根據比選方案不同，分為加固 0、1、2、3、4、5、6 m 七個計算模型)；

(5)管廊基坑開挖第一層，施工鋼支撐；

(6)管廊基坑開挖第二層；

(7)管廊結構施工；

(8)管廊基坑上方土體回填。

4 方案比選模擬計算結果分析

4.1 不同地層加固厚度分析

針對本工程特點，選取不同地層加固厚度的計算模型進行分析，得出不同地層加固厚度狀態下，基坑開挖過程最大變形值，并根據變形值，總結其變形規律。不同地層加固厚度狀態下，基坑開挖過程注漿厚度為3 m時既有盾構隧道最大變形值云圖如圖4所示。

圖4 注漿厚度3 m時既有盾構隧道變形云圖

通過對不同地層加固厚度工況下，基坑開挖過程對既有線影響的模擬分析可知，注漿厚度在0、1、2 m過程變化時，隨著注漿厚度的加大，基坑開挖時注漿工作對既有隧道隆起變形控制效果較為明顯。注漿厚度在3、4、5、6 m變化時，基坑開挖時注漿工作對既有隧道隆起變形控制效果減弱，不同注漿厚度狀態下基坑通長開挖引起既有地鐵隆起變形如圖5所示。

圖5 不同注漿層厚度基坑開挖過程既有盾構變形曲線

在注漿施工過程中，注漿厚度越大，既有線變形越小，但相對注漿成本也越高；同時注漿厚度越大，注漿漿液距離既有線距離越小，注漿漿液滲漏至既有線的可能性也越大。

綜合上述分析及注漿效果、注漿經濟性和注漿風險等因素，注漿厚度為3 m時，在基坑通長開挖狀態下，既有地鐵結構隆起變形4.17 mm，對既有地鐵加固效果最好，同時經濟性和注漿風險相對也較低，因此推薦本工程注漿厚度3 m為最佳注漿厚度。

4.2 不同流水段開挖長度分析

根據前述最優注漿厚度理論計算，注漿厚度選取為3 m，在進行流水段開挖長度分析時，選取開挖流水段長度為12、24、36 m三種工況進行分析。得出不同開挖流水段長度工況下，既有結構變形情況，并根據變形值，總結其變形規律。不同開挖流水段狀態下，基坑開挖長度24 m時既有盾構隧道最大變形值云圖如圖6所示。

圖6 基坑開挖長度24 m時既有盾構隧道變形云圖

通過對基坑開挖不同長度狀態下進行理論及算法分析，既有地鐵結構在基坑流水段長度選為12、24、36 m時，既有地鐵結構隆起變形趨勢如圖7所示。

圖7 不同開挖長度基坑開挖過程既有地鐵變形曲線

通過對不同流水段開挖長度工況下，基坑開挖過程對既有線影響的模擬分析可知，開挖流水段長度在12、24、36 m長度變化時，既有盾構隧道隨單次流水段長度增加而逐漸增大，其變形曲線反彎點在流水段為24 m長度位置，單次開挖流水段長度超過24 m時，其對既有線隆起影響值的增幅速度逐漸減小。單次開挖36 m時，既有結構隆起變形約4.17 mm，與全部開挖時對既有線影響值基本一致。

綜合考慮對既有線的影響及開挖工期、基坑底板施作時間等，確定基坑單次流水段開挖長度在24～36 m之間較為適宜，并將該結論應用于實際工程實施。

5 實測數據分析

根據施工前期的模擬分析，選取注漿厚度為3 m，單次流水段長30 m的施工方案進行現場實際施工，施工過程對既有線隆起變形進行全程監測。既有盾構隧道監測過程對結構進行沉降監測，監測點布設時，軸向間距為10 m，在隧道兩側分別布設，選取模擬分析部位約80 m范圍既有線進行實測變形分析。分析范圍內共涉及既有線雙線36個監測點，其中最大隆起值為3.91 mm，平均變形值為3.12 mm，其變形分布值分布區間情況如圖8所示。

圖8 既有線隆起變形值分布

根據實測數據分析，既有盾構區間受上方管廊基坑開挖影響，其變形值基本為3～4 mm，實測結果與理論預測變形值基本一致。同時，通過對既有線監測點單點進行時程分析，可知，既有線在基坑開挖過程中隆起變形最大，隨著結構施工及回填，有一定下沉，并逐漸趨于穩定。

6 結論

通過對明挖基坑管廊上跨既有線過程，不同注漿厚度及不同基坑開挖流水段長度等工況的理論計算及現場實際方案施工完成后既有盾構區間的變形情況進行分析，得到以下結論:

(1)對于管廊上跨既有盾構區間施工的方案比選工作，采用理論計算可以從定性及定量角度，對各種工況進行分析，從而綜合對比，通過計算，基底注漿厚度為3 m，開挖流水段長度為30 m時，從控制既有地鐵變形、施工工期、施工經濟性等方面考慮，為最優方案。

(2)通過數值模擬計算與現場既有盾構區間隆起實測值的對比分析，可知，理論計算與既有線在基坑開挖過程的實測隆起變形基本一致。既有線實測單點時程變形趨勢隨著基坑開挖逐漸增大，隨基坑結構施工及基坑回填有少量下沉并趨于穩定。

(3)通過數值分析進行方案分析及比選，同時結合現場實測數據進行檢驗，可知，該管廊工程上跨既有線施工案例較為成功，可為后續類似管廊工程上跨既有線的方案選擇提供參考依據。